万物可创：合成生物学应用前景广阔

文·图/李伟

合成生物学应用前景广阔

改造微生物

合成生物学应用于人造食品领域

刚刚过去的2022年，被视为合成生物学应用大爆发“元年”，各个领域的突破为合成生物学技术的应用提供了更多想象空间和可能性。作为生物制造产业的核心技术，合成生物学以其前沿性和颠覆性备受关注。

“精确生产”我们需要的东西

合成生物学区别于传统生命科学（如基因科学、微生物学、生物化学等）的核心是其“工程学本质”——按照人们的需求，设计出相应的“产品”。与各种设备一样，人工合成生物有明确的应用目的。

人类数千年前就开始利用天然微生物，比如酿酒用的酵母。这种技术是基于偶然的发现，且一种微生物一般只能生产出一种产品。想要“酿造”别的食品，又得经历漫长的过程，在亿万种微生物中大浪淘沙。其偶然性决定了这样的方式是十分低效的。

有了合成生物学，科学家就可以改造微生物自身的构造，创造出自然界中原本不存在的微生物，甚至让它们与半导体等人造物质结合，“精确生产”我们需要的东西。

根据麦肯锡咨询公司发布的数据，未来10—20年，合成生物学每年对材料、化学和能源等产业的直接和间接经济影响，可能在2000亿—3000亿美元之间。

中美两国对合成生物学的布局都较早，已发布多幅科技路线图，包括“半导体合成生物学”“工程生物学”“微生物组”“工程生物学与材料科学”等。这些路线图关注跨学科的交叉融合，进一步明确了合成生物学未来20年的发展方向和目标。

农业和食品生产

天然微生物产出的一些物质可以作为农药，远比化学农药高效、安全，且对环境更为友好，在植物病虫害防控及保护粮食安全领域具有不可或缺的作用。

除虫菊酯是菊科植物天然生成的一种物质，它对蜜蜂、蝴蝶等农业益虫无毒，却能有效杀伤多种害虫。它对大多数哺乳动物不会产生危害，在环境中留存的时间也比较短。获取这种物质的常规方法是大量种植菊花，然后提取除虫菊酯。这不仅需要较长的时间，而且萃取化学物质的工序颇为繁杂，所以天然除虫菊酯的产量受到限制。

借助合成生物学技术可以解决上述问题。根据菊花制造除虫菊酯的过程，合成植物细胞中参与相关工作的“元件和流水线”，把它植入微生物细胞，就可以大量繁殖有用的微生物，生成除虫菊酯。

在食品开发领域，合成生物学已经能够产出完全还原质地和口感的产品。以人造蜂蜜为例。在自然环境中，蜜蜂制造蜂蜜的方法是把花粉吞下，在其体内进行微生物发酵，再吐出来，即形成蜂蜜。利用合成生物学技术，可以把微生物放入培养体系，模拟蜜蜂体内的发酵过程。应用合成生物学的目的不只在于节省成本、提高效率，还有更深远的意义。仍以人造蜂蜜为例。大规模养蜂容易对野生蜜蜂种群造成冲击。如果能够把蜜蜂从蜂蜜的供应链中“解放”出来，就有利于更好地保护生物多样性。

医疗领域

在治疗癌症方面，合成生物学的思路是改造微生物，将特定的微生物转化成更具针对性、更智能、更高效的抗癌“武器”。被改造过的微生物一方面能够“唤醒”人体自身的免疫细胞，让它们积极工作；另一方面能帮忙运送药物分子。目前一些人造微生物已进入临床治疗前的试验研究阶段，并取得了比较理想的效果，有望成为用于治疗癌症的活体生物药剂。

在基础诊疗方面，合成生物学也有用武之地。美国麻省理工学院合成生物小组的研究人员，把人造微生物植入水凝胶，让它附着在人体皮肤表面上。当这块生物材质接触特定的物质时，植入的微生物就会因受到刺激而发光，提醒研究人员，“有某种化学分子存在”。该技术可用于检测有毒物质、病原体、过敏源，甚至可以通过皮肤对患者作初步的医疗诊断。

医美是当下颇具经济前景的一条赛道。利用合成生物学技术实现量产的天然高分子材料PHA（聚羟基烷酸酯），正在被市场所接受，从而成为“轻医美”的上佳选择。PHA降解周期小于6个月，在所有自然环境中都可以完全降解为水和二氧化碳。

新能源和新材料

近年来，新能源概念逐渐深入人们的日常生活。为了减轻对污染环境的化石能源的依赖，人们一直寻求无污染的新能源。除了耳熟能详的风能、太阳能外，生物能源也是重要的探索方向。

万物可创

光合作用对空气中碳元素的利用率接近100%，但整个过程的能量转换效率较低，一般在5%以下。利用合成生物学技术，情况就完全不同了。科学家探索将固态半导体光吸收器和一些微生物融合，形成“半导体-细胞混合体”，让生物能够更有效地捕捉光能，并将其转移到糖类等物质中固定下来。在另一些研究中，科学家试图改进微生物对糖的利用效率，使它们能够将糖分转化为汽油、柴油、乙醇等燃料。一旦这条路走通了，那么从空气中提取清洁燃料将由梦想变为现实。

现有的新能源技术与相关产品，也可以利用合成生物学技术进行改进。例如氢燃料电池具备高效、清洁的特点，但其成本较高，因为要用一些贵金属来做催化剂。利用合成生物学，可以让微生物把一些纤维素加工成具有特定的孔隙、表面积较大的水凝胶，以替代贵金属（比如铂金）充当催化剂。如此一来，氢燃料电池的成本就能够大幅下降。

人类对特殊生物材料及其性能抱有浓厚的兴趣。比如蜘蛛丝的机械性能，又如河里、海里的贝类能粘在岩石上，等等。化工和传统的生物发酵工程，都在解析、还原生物成分上一筹莫展，因为蛛丝蛋白、肌连蛋白等超高分子量的蛋白质，分子信息量过大，难以人工合成。借助合成生物学的发展，科学家可以把海洋贻贝的黏液分泌腺体摘出来单独培养，或者直接用工程细胞来仿制，直到把微生物改造成拥有超高分子量的蛋白质。